基于賽元SC91F831觸控芯片的水位檢測應(yīng)用

摘 要: 本文概述了基于賽元觸控芯片SC91F831實(shí)現(xiàn)水位檢測應(yīng)用的具體方法。介紹了水位檢測的實(shí)現(xiàn)原理，觸控按鍵與水位檢測應(yīng)用場合以及工作的流程。

1 引言

現(xiàn)代傳感技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)和新工藝、新材料的發(fā)展為智能檢測系統(tǒng)的發(fā)展帶來了前所未有的奇跡。在工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、國防、科研等許多應(yīng)用領(lǐng)域，智能檢測系統(tǒng)發(fā)揮著越來越大的作用。隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，人們對(duì)水位的檢測與控制提出了更高的要求。伴隨著新型的微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和普及，單片機(jī)控制系統(tǒng)以其控制精度高，性能穩(wěn)定可靠，設(shè)置操作方便，造價(jià)低等特點(diǎn)，被應(yīng)用到水位檢測系統(tǒng)的控制中來。

2 水位檢測技術(shù)

2.1 水位檢測應(yīng)用與發(fā)展

當(dāng)今的工業(yè)控制以及家電行業(yè)中液位檢測對(duì)許多自動(dòng)控制方案來說都至關(guān)重要。水位監(jiān)測是采集、存儲(chǔ)、傳輸、處理等技術(shù)的集成。從傳統(tǒng)的水位檢測與控制方式即人工監(jiān)測技術(shù)分析來看，主要存在以下問題：首先記錄方式以模擬方式為主，即使是數(shù)學(xué)方式記錄的也很難方便的輸入計(jì)算機(jī)處理，其次數(shù)據(jù)處理基本靠人工處理判斷，費(fèi)時(shí)易錯(cuò)，最后水位信息的采集、傳輸、處理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較差，控制也是全人工操作，無法適應(yīng)現(xiàn)代水文的需求。因此，要用自動(dòng)化技術(shù)促進(jìn)水位檢測與控制自動(dòng)化的發(fā)展。

2.2 水位檢測技術(shù)的原理

水位檢測按照工作原理分可以分為以下幾種類型：直讀式、浮力式、差壓式、電氣式及聲學(xué)式等。

直讀式：即傳統(tǒng)式水位檢測，它根據(jù)流體的連通性原理來測量液位，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀取液位高度，優(yōu)點(diǎn)是簡單直觀，缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度低，已逐步被淘汰。

浮力式：它根據(jù)浮子高度隨液位高低而改變或液體對(duì)沉浸在液體中的浮筒的浮力隨液位高度變化而變化的原理來測量液位。前者稱為恒浮力式，后者稱為變浮力式。廣泛地應(yīng)用于飲水機(jī)，加濕器等小家電產(chǎn)品。其優(yōu)點(diǎn)是簡單直觀，設(shè)計(jì)成本低。缺點(diǎn)是檢測不夠準(zhǔn)確，安裝復(fù)雜，需要與液體直接接觸，容易發(fā)生卡頓現(xiàn)象導(dǎo)致檢測失效。

差壓式：它根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對(duì)某點(diǎn)上參數(shù)的靜壓力的變化的原理測量液位，通過測量液體的壓力反算液位高度。適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保、家電洗衣機(jī)等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測量。優(yōu)點(diǎn)是精巧的結(jié)構(gòu)，簡單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。缺點(diǎn)是費(fèi)用比較高，誤差大。

電氣式：它根據(jù)把液位的變化轉(zhuǎn)換成各種電學(xué)量的變化的原理來測量液位?？煞譃殡娮枋?、電感式和電容式。用電學(xué)測量無摩擦鍵和可動(dòng)部件，工作可靠，且輸出可轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電信號(hào)與微電子技術(shù)結(jié)合使用，可方便的實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制。被廣泛地應(yīng)用于咖啡機(jī)、凈水器、面包機(jī)等。本文著重談及電容傳感器的水位檢測方式。

聲學(xué)式：它根據(jù)液位變化引起的聲阻抗和反射距離變化來測量液位。主要的方式為超聲波法，通過測量超聲波從發(fā)射到接受的時(shí)間差來測試液位的高度。優(yōu)點(diǎn)是非接觸式，適用于有毒、腐蝕性、高粘度等特殊液體的測量，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，環(huán)境適應(yīng)性弱，部分物質(zhì)對(duì)超聲波有強(qiáng)烈的吸收作用。

3 基于賽元觸控芯片SC91F831水位檢測原理

3.1 觸控芯片SC91F831的基本性能

SC91F831是一顆內(nèi)置電容型觸控按鍵功能的加強(qiáng)型超快速1T 8051工業(yè)級(jí)Flash微控制器，指令系統(tǒng)完全兼容傳統(tǒng)8051產(chǎn)品系列。SC91F831 內(nèi)部集成有最多10路觸控按鍵電路，其它資源還包括：8KB Flash ROM(內(nèi)部256Byte可作為EEPROM)、512B SRAM、最多17個(gè) GP I/O(包含11個(gè)大電流驅(qū)動(dòng))、2個(gè)16位定時(shí)器、1路類IIC的串行通訊接口SIF、最多4路10位高精度ADC、最多4路外部中斷口(其中1路是雙沿中斷)、2路8位PWM、內(nèi)部1%高精度16M Hz振蕩器、軟件UART等資源。為提高可靠性及簡化客戶電路，SC91F831內(nèi)部也集成有4級(jí)可選電壓LVR、2.4V基準(zhǔn)ADC參考電壓、WDT等高可靠電源電路。SC91F831具有非常優(yōu)異的抗干擾性能和抗EMI能力，非常適合應(yīng)用于電磁爐、抽油煙機(jī)、消毒柜、電飯煲、電壓力鍋、面包機(jī)等各種小家電和衛(wèi)浴、燈具等工業(yè)控制和消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域。

3.2 觸控芯片SC91F831的管腳資源

3.3 基于觸控芯片SC91F831的水位檢測原理

SC91F831是一款基于電容式傳感器的觸控芯片。利用其觸控通道將水位的變化轉(zhuǎn)換成電容的變化，而電容的變化又經(jīng)過專門的處理電路轉(zhuǎn)換成充放電的時(shí)間。MCU通過一系列的算法對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到當(dāng)前水位情況。

在電氣式水位檢測技術(shù)中，采集得到的電學(xué)量是孤立的數(shù)據(jù)，要檢測一個(gè)變化的過程以及程度需要引入基準(zhǔn)。采樣數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)的差值才能反映當(dāng)前的變化程度，從而判斷有無水以及水量的多少。電容式水位檢測原理類似于硬件電路中的比較器，采樣值與基準(zhǔn)值的差值作為判斷依據(jù)，差值的大小決定了水量的多少。

3.4 觸控芯片SC91F831在應(yīng)用上的其他優(yōu)勢

隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及人類對(duì)電子產(chǎn)品需求的不斷提高，人們?cè)絹碓蕉嗟恼劶昂褪褂糜|控按鍵，其較之機(jī)械按鍵具有堅(jiān)固耐用、反應(yīng)迅速、節(jié)省空間、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，得到眾多電子設(shè)備廠商的青睞，廣泛地應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品、小家電、手機(jī)等。觸控感應(yīng)按鍵取代機(jī)械按鍵已經(jīng)成為一種時(shí)尚潮流，有助于提升整個(gè)產(chǎn)品的檔次和性能。

SC91F831 內(nèi)部集成多達(dá)10路觸控按鍵電路，其它資源還包括：8KB Flash ROM(內(nèi)部256Byte可作為EEPROM)、512B SRAM、17個(gè) GP I/O(包含11個(gè)大電流驅(qū)動(dòng))、2個(gè)16位定時(shí)器、1路類IIC的串行通訊接口SIF、4路10位高精度ADC、4路外部中斷口(其中1路是雙沿中斷)、2路8位PWM、內(nèi)部1%高精度16M Hz振蕩器、軟件UART等資源。滿足應(yīng)用上除水位檢測以外的其他功能需求，可以作為整個(gè)產(chǎn)品的主控芯片，節(jié)省大量的軟硬件成本。

3.5 基于觸控芯片SC91F831實(shí)現(xiàn)水位檢測的原理圖

4 基于賽元觸控芯片SC91F831水位檢測軟件實(shí)現(xiàn)

賽元提供觸控按鍵的軟件庫，大大的節(jié)省了用戶開發(fā)自主產(chǎn)品的時(shí)間成本，用戶可以用最短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的評(píng)估和測試工作。由于水位檢測不同于普通的觸控按鍵過程，產(chǎn)品開機(jī)后水位的情況是不確定的，并且很可能長時(shí)間都處于有水狀態(tài)，等同于長按鍵，觸控庫考慮到觸控按鍵的實(shí)際應(yīng)用需要，對(duì)長按鍵超過一定時(shí)間會(huì)進(jìn)行基線更新，所以現(xiàn)有的軟件庫不能實(shí)現(xiàn)水位檢測的功能，需要單獨(dú)在庫之外進(jìn)行處理。由于庫對(duì)采樣數(shù)據(jù)和基線數(shù)據(jù)的接口是開放的，這使得在庫以外處理水位檢測成為可能。

以下為水位檢測的算法流程：

主流程

水位檢測處理流程

5 結(jié)束語

本文就基于賽元觸控芯片SC91F831實(shí)現(xiàn)水位檢測的具體方式進(jìn)行了論述，具有較高的設(shè)計(jì)參考價(jià)值。從目前水位檢測的發(fā)展來看，電容式的水位檢測方式憑借其電路簡單，安裝方便，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)將得到廣泛地應(yīng)用。